JP5065168B2 - エンジン - Google Patents

Description

本発明は、燃焼室として、ピストンに面する主室と、その主室に噴孔を介して連通する副室とを備え、前記副室に燃料ガスを供給する副燃料供給路には、前記副室の圧力低下により開弁して前記副室への燃料ガスの供給を許容する第１逆止弁が設けられているエンジンに関する。

近年、環境性・経済性から天然ガスを燃料としたガスエンジンを用いたコージェネレーションシステムの導入が進められている。そして、ガスエンジンを用いたシステムは発電効率が高いことから天然ガスコージェネレーションシステムの主流となってきている。コージェネレーションシステムにおいて、ガスエンジンは１ｋＷクラスの小型から数ＭＷクラスの大型まで実用化されており、エンジンのサイズにより異なったエンジン形式・燃焼方式が採用されている。
例えば、１〜２ＭＷクラスの中型コージェネレーションにおいては、高効率を実現できることから副室式火花点火希薄ミラーサイクルエンジンが主流となってきている。副室式のエンジンは、主室と呼ばれる通常の燃焼室に加え、主室に噴孔を介して連通する副室と呼ばれる燃焼室を備えている。そして、吸気行程にて吸気弁を開いて主室に希薄混合気を、副室に燃焼ガスを導入し、圧縮行程にて噴孔を通して主室から副室に流入した希薄混合気等と吸気行程中に副室に供給された燃料ガスとを混合させて混合気を形成する。そして、副室にて形成した混合気を点火プラグにより火花点火して燃焼させ、噴孔を介して副室から主室に火炎ジェットを噴射して、主室に形成された希薄混合気を燃焼させるように構成されている。よって、通常の燃焼室だけを備えた単室式エンジンと比較して、燃焼室全体として空気に対して燃料ガスが希薄な状態で燃焼させる希薄燃焼を実現することができ、高効率化を図ることができる。

このような副室式のエンジンとして、副室に燃料ガスを供給する副燃料供給路に機械式開閉弁を設け、その機械式開閉弁の開閉作動を制御する制御装置を備えたものがあった（例えば、特許文献１参照。）。従来の副室式エンジンでは、機械式開閉弁を設けるものが主流であったが、近年では、機械式開閉弁に代えて、逆止弁が設けられているものが実用化されつつある（例えば、特許文献２参照。）。というのも、逆止弁を設けるものでは、外部からの駆動力で開閉作動させる機械式開閉弁と比較して、構成が簡単になるので、製造が容易になり、小型化及びコストの低減を図ることができるからである。
この逆止弁は、副室から副燃料供給路への逆方向には燃料ガスが流動せず、副燃料供給路から副室への順方向には燃料ガスの流動を許容可能な構造となっている。逆止弁は、バネの付勢力によりボール等の弁体を弁座に当接させて閉弁状態となっている。そして、吸気行程中におけるピストンの下降に伴い副室の圧力が低下して逆止弁の上流側と下流側との圧力差が一定値以上になると、バネの付勢力に抗する方向に圧力が作用して弁体が弁座から離間して開弁状態となり、副室へ燃料ガスを供給するように構成されている。

特開２００３−２７８５４８号公報 特開２００１−３７５３号公報

副燃料供給路に逆止弁を設けるエンジンでは、点火プラグとの干渉等により副室周辺に逆止弁を設けるスペースが無いので、通常、副室から少し離れた位置に逆止弁を設置している。このような場合には、副燃料供給路が、下流側端部に逆止弁が配設された上流側流路部分と上流側端部に逆止弁が配設されて下流側端部が副室に連通された下流側流路部分とを備え、下流側流路部分を細い連通路にて構成している。吸気行程中には副室の圧力低下により逆止弁が開弁状態となり副室に燃料ガスが供給され、下流側流路部分内はガスで満たされる。圧縮行程中は逆止弁が閉じ、下流側流路部分内は圧縮による燃焼室内の圧力上昇に伴いガスが圧縮される。このとき、下流側流路部分は細い連通路であるので、下流側流路部分内のガスは、主室から副室に流入した希薄混合気とほとんど混合せず、希釈されないまま圧縮されることになる。その結果、その濃度が可燃範囲に入らなくなる。また、その後副室内で点火され混合気が燃焼するが、下流側流路部分は細い連通路であるので、消炎してしまい下流側流路部分内まで到達せず、下流側流路部分内のガスは燃焼しない。膨張行程においてはピストンの下降に伴い燃焼室内の圧力が低下し、下流側流路部分内で圧縮されている燃料ガスの濃度が高いガスが徐々に燃焼室内に流出してくる。しかし膨張行程後半では燃焼室内の温度も低下しているため、流出したガスは燃焼せずに滞留し、排気行程において排出させることになる。よって、未燃炭化水素の排出量が増加することになり、エンジン効率の低下を招いてしまう。

本発明は、かかる点に着目してなされたものであり、その目的は、未燃炭化水素の排出量の低減を図り、エンジン効率の向上を図ることができるエンジンを提供する点にある。

この目的を達成するために、本発明に係るエンジンの特徴構成は、燃焼室として、ピストンに面する主室と、その主室に噴孔を介して連通する副室とを備え、前記副室に燃料ガスを供給する副燃料供給路には、前記副室の圧力低下により開弁して前記副室への燃料ガスの供給を許容する第１逆止弁が設けられているエンジンにおいて、
前記副燃料供給路は、下流側端部に前記第１逆止弁が配設された上流側流路部分と上流側端部に前記第１逆止弁が配設されて下流側端部が前記副室に連通された下流側流路部分とを備え、前記副燃料供給路における前記下流側流路部分から分岐された分岐路には、前記副室の圧力上昇により開弁して前記下流側流路部分から前記分岐路へのガスの流動を許容する第２逆止弁が設けられている点にある。

本特徴構成によれば、副室の圧力が低下すると、第２逆止弁は閉弁状態のままであるが、第１逆止弁が開弁するので、燃料ガスが上流側流路部分から下流側流路部分に流入し、下流側流路部分から副室に流入して、副室に燃料ガスを供給することができる。逆に、副室の圧力が上昇すると、第１逆止弁は閉弁状態のままであるが、第２逆止弁が開弁するので、副室内のガスが下流側流路部分に流入し、下流側流路部分内を満たしていたガスが下流側流路部分から分岐路に流入することになる。これにより、下流側流路部分内のガスについて、吸気行程や圧縮行程では、従来のエンジンと同様に、副室内に燃料ガスが供給され、下流側流路部分内に燃料ガスの濃度が高いガスが圧縮されるが、膨張行程において従来のエンジンと異なるものとなる。
つまり、副室内で点火され混合気が燃焼すると、副室の圧力が上昇して第２逆止弁が開弁することになる。これにより、副室内の既燃焼ガスが下流側流路部分に流入し、下流側流路部分内で圧縮されていた未燃焼ガスが分岐路に流入することになる。よって、下流側流路部分内は既燃焼ガスで満たされることになる。膨張行程においては、ピストンの下降により副室の圧力が低下して第２逆止弁が閉弁状態となり、下流側流路部分内のガスが徐々に燃焼室内に流出してくるが、下流側流路部分内のガスは既燃焼ガスが満たされており、未燃焼ガスが燃焼室内に流出することを防止できる。
以上のことから、未燃炭化水素の排出量の低減を図り、エンジン効率の向上を図るエンジンを実現できるに至った。

本発明に係るエンジンの更なる特徴構成は、前記分岐路は、前記第２逆止弁よりも下流側を前記主室に新気を吸気する吸気路に接続するように構成されている点にある。

本特徴構成によれば、分岐路は吸気路に接続しているので、第２逆止弁が開弁することにより分岐路に流入した未燃焼ガスは、吸気路に流入することになる。よって、次の吸気行程において、吸気路に流入した未燃焼ガスが主室に吸気されることになる。その結果、主室内で燃焼するため効率の低下や未燃炭化水素の排出は生じず、未燃炭化水素の排出量の低減を的確に図り、エンジン効率の向上を的確に図ることができる。

本発明に係るエンジンの更なる特徴構成は、前記第２逆止弁は、前記燃焼室での燃焼時の最大筒内圧力よりも設定圧力低い圧力で開弁するように構成されている点にある。

本特徴構成によれば、副室内で点火され混合気が燃焼した後、燃焼室での圧力が最大筒内圧力に到達する以前に第２逆止弁が開弁することになる。よって、第２逆止弁を的確なタイミングで開弁させることができ、副室内の既燃焼ガスが下流側流路部分に流入し、下流側流路部分内を既燃焼ガスにて的確に満たすことができる。

本発明に係るエンジンの実施形態について、図面に基づいて説明する。
〔第１実施形態〕
図１に示すように、エンジン１は、シリンダヘッド２、シリンダブロック３、クランクケース（図示は省略）、オイルパン（図示は省略）を上下に重ね合わせて連結して構成され、シリンダヘッド２に開閉自在な吸気弁４と排気弁５とを備えている。ピストン６をシリンダブロック３内に摺動自在に収納し、ピストン６の往復作動力をクランク機構７からクランク軸８に伝えて回転動力として出力するように構成されている。図示は省略するが、クランク軸８からの動力を吸気弁４及び排気弁５を開閉動作させるカムシャフト等に伝えるように構成されている。

燃焼室Ｎとして、シリンダヘッド２の下面側でピストン６の上面に面する主室９と、その主室９に噴孔１０を介して連通する副室１１とを備えている。このエンジン１は、気体燃料ガスあるいは都市ガス等の燃料ガスを使用するものであり、吸気行程にて燃料ガスと空気との希薄混合気（空気と少量の燃料ガスとの混合気）を主室９に供給するとともに、副室１１に燃料ガスを供給し、圧縮行程にて噴孔１０を通して主室９から副室１１に希薄混合気を流入させ副室１１内に混合気を形成し、副室１１の点火プラグ１２での点火によって副室１１内で燃焼させた混合気を、噴孔１０を介して主室９に火炎ジェットＦとして噴射するように構成されている。

図１では、１つの燃焼室Ｎを示しているが、このエンジン１は、複数のピストン６を備え複数の燃焼室Ｎを有する多気筒式のエンジンにて構成されている。そして、エンジン１は、クランク軸８からの駆動力を発電機（図示は省略）に伝えて発電を行い、エンジンの排熱を熱媒体を介して回収して熱消費端末等に供給可能とするコージェネレーションシステムに用いられている。

主室９に希薄混合気である新気を吸気する吸気路１３が設けられており、その吸気路１３に燃料ガスを供給する主燃料供給路１４が設けられている。図示は省略するが、吸気路１３には、主燃料供給路１４との接続箇所よりも上流側に、スロットルバルブや空気を過給する過給機等が配置されている。

副室１１は、下端に噴孔１０が形成された口金１５の内部に形成されており、口金１５は下端部を主室９に突出させる状態でシリンダヘッド２に支持されている。口金１５の上部には点火プラグ１２を有する点火ユニット１６が設けられており、点火プラグ１２は、その点火点１２ａが副室１１内に位置するように設けられている。

副燃料供給路１７の途中部分には、副室１１の圧力低下により開弁して副室１１への燃料ガスの供給を許容する第１逆止弁１８が配設されている。第１逆止弁１８は、バネの付勢力によりボール等の弁体を弁座に当接させて閉弁状態としており、副室１１の圧力低下により上流側と下流側との圧力差が一定値以上になると、バネの付勢力に抗する方向に圧力が作用して弁体が弁座から離間して開弁状態となり、副室１１への燃料ガスの供給を許容するように構成されている。

副燃料供給路１７は、下流側端部に第１逆止弁１８が配設された上流側流路部分１７ｂと上流側端部に第１逆止弁１８が配設されて下流側端部が副室１１に連通された下流側流路部分１７ａとを備えている。下流側流路部分１７ａは、点火ユニット１６の外方からその内部に延びて副室１１に連通するように構成されている。下流側流路部分１７ａ及び上流側流路部分１７ｂは、流路幅の狭い細い連通路にて構成されている。

下流側流路部分１７ａから分岐されて吸気路１３に接続された分岐路１９が設けられ、分岐路１９の途中部分には、副室１１の圧力上昇により開弁して副燃料供給路１７から分岐路１９へのガスの流動を許容する第２逆止弁２０が配設されている。この第２逆止弁２０は、第１逆止弁１８とガスの流動を許容する方向が逆方向になるようにしているだけであり、基本的には第１逆止弁１８と同様の構成をしている。そして、第２逆止弁２０は、例えば、副室１１内の圧力が燃焼室Ｎでの燃焼時の最大筒内圧力よりも設定圧力の低い圧力となると、開弁するようにバネの付勢力等が調整されている。

このエンジン１は、通常の４ストローク内燃機関と同様に、吸気弁４及び排気弁５を開閉動作させて、吸気、圧縮、膨張、排気の諸行程を順次行うように構成されている。
吸気行程では、吸気弁４を開状態としてピストン６が下降することにより、吸気路１３から希薄混合気である新気を主室９に吸引する。このとき、主室９の圧力低下に伴い副室１１も圧力低下することから、第２逆止弁２０については閉弁状態のままとなり、第１逆止弁１８の上流側と下流側との圧力差が一定値以上となって第１逆止弁１８が開弁状態となり、副燃料供給路１７の上流側流路部分１７ｂ及び下流側流路部分１７ａを介して副室１１へ燃料ガスが供給され、下流側流路部分１７ａ内がガスで満たされる。

圧縮行程では、吸気弁４を閉状態としてピストン６が上昇することにより主室９の希薄混合気を圧縮する。このとき、噴孔１０を介して主室９から副室１１にも希薄混合気が流入することになり、吸気行程中に副燃料供給路１７にて供給された燃料ガスと希薄混合気とが混合されて、副室１１には燃料ガスの濃度が濃い混合気が形成される。また、副室１１の圧力上昇に伴い第１逆止弁１８が閉弁状態となり、下流側流路部分１７ａ内では満たされていたガスが圧縮される。
そして、点火タイミング（上死点又は上死点近くの設定タイミング）になると点火プラグ１２が作動されて副室１１に火花点火を行う。副室１１内で燃焼させた燃焼ガスを、噴孔１０を介して主室９に火炎ジェットＦとして噴射することにより、主室９の希薄混合気を燃焼させる。このとき、副室１１内の圧力が燃焼室Ｎでの燃焼時の最大筒内圧力よりも設定圧力の低い圧力となると、第２逆止弁２０が開弁状態となる。第１逆止弁１８については閉弁状態のままとなる。これにより、副室１１内の既燃焼ガスが下流側流路部分１７ａに流入し、下流側流路部分１７ａ内で圧縮されていた未燃焼ガスが分岐路１９に流入することになり、下流側流路部分１７ａ内は既燃焼ガスで満たされることになる。また、分岐路１９に流入した未燃焼ガスは、吸気路１３に流入することになる。

膨張行程では、ピストン６が下降するが、このピストン６の下降により副室１１の圧力が低下して第２逆止弁２０が閉弁状態となり、下流側流路部分１７ａ内のガスが徐々に燃焼室内に流出してくる。このとき、下流側流路部分１７ａ内を満たしているガスは既燃焼ガスであるので、未燃焼ガスが燃焼室Ｎ内に流出することを防止できる。よって、未燃炭化水素の排出量の低減を図り、エンジン効率の向上を図ることができる。また、分岐路１９に流入した未燃焼ガスは、次の吸気行程において主室９に吸気されることになり、主室９内で燃焼するため効率の低下や未燃炭化水素の排出は生じない。
排気行程では、排気弁５を開状態としてピストン６が上昇することにより、燃焼排ガスが排気路２１に排気される。

以上の如く、本発明に係るエンジンは、未燃炭化水素の排出量の低減を図り、エンジン効率の向上を図ることができる。本発明に係るエンジンは、単に副燃料供給路１７に第１逆止弁１８を設けただけの従来のエンジンと比較して、排気ガス中の未燃炭化水素排出量が１０％低減し、効率が０．２ポイント向上したことを実験により確認している。この実験は、ボア径を１８０ｍｍ、ピストンのストロークを２３０ｍｍ、気筒数を１２個、第２逆止弁の開弁圧力を１５ＭＰａとし、分岐路において第２逆止弁のすぐ下流にガスの流量を制限するための直径０．２ｍｍのオリフィスを設けたエンジンを用いて行った。
ここで、膨張行程において第２逆止弁２０が開弁状態となることにより圧力が低下して取り出させる仕事の量が減少することになるが、副燃料供給路１７における下流側流路部分１７ａ及び上流側流路部分１７ｂを十分に細い連通路とし、第２逆止弁２０が開弁状態となる圧力を十分に高くすることにより、圧力低下を小さく抑えることができ、圧力低下による効率の低下をわずかに抑えることができる。よって、エンジン効率の向上を図ることができる。

〔別実施形態〕
（１）上記実施形態では、分岐路１９を吸気路１３に接続しているが、排気路以外の流路であれば、吸気路１３に限るものではなく、各種の流路に接続することができる。

（２）上記実施形態では、第２逆止弁２０が開弁状態となる圧力は適宜変更することができ、燃焼室Ｎでの燃焼時の最大筒内圧力よりも設定圧力低い圧力に限るものではない。

本発明は、燃焼室として、ピストンに面する主室と、その主室に噴孔を介して連通する副室とを備え、前記副室に燃料ガスを供給する副燃料供給路には、前記副室の圧力低下により開弁して前記副室への燃料ガスの供給を許容する第１逆止弁を設け、未燃炭化水素の排出量の低減を図り、エンジン効率の向上を図ることができる各種のエンジンに適応することができる。

エンジンの概略図

符号の説明

６ ピストン
９ 主室
１０ 噴孔
１１ 副室
１３ 吸気路
１７ 副燃料供給路
１７ａ 下流側流路部分
１７ｂ 上流側流路部分
１８ 第１逆止弁
１９ 分岐路
２０ 第２逆止弁
Ｎ 燃焼室

Claims (3)

1. 燃焼室として、ピストンに面する主室と、その主室に噴孔を介して連通する副室とを備え、
   前記副室に燃料ガスを供給する副燃料供給路には、前記副室の圧力低下により開弁して前記副室への燃料ガスの供給を許容する第１逆止弁が設けられているエンジンであって、
   前記副燃料供給路は、下流側端部に前記第１逆止弁が配設された上流側流路部分と上流側端部に前記第１逆止弁が配設されて下流側端部が前記副室に連通された下流側流路部分とを備え、
   前記副燃料供給路における前記下流側流路部分から分岐された分岐路には、前記副室の圧力上昇により開弁して前記下流側流路部分から前記分岐路へのガスの流動を許容する第２逆止弁が設けられているエンジン。
2. 前記分岐路は、前記第２逆止弁よりも下流側を前記主室に新気を吸気する吸気路に接続するように構成されている請求項１に記載のエンジン。
3. 前記第２逆止弁は、前記燃焼室での燃焼時の最大筒内圧力よりも設定圧力低い圧力で開弁するように構成されている請求項１又は２に記載のエンジン。

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